TWI491059B - 接近感測器及其電路佈局方法 - Google Patents

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Description

接近感測器及其電路佈局方法
本發明與接近感測器(proximity sensor)有關，特別是關於一種能夠有效縮減體積並避免雜訊交互干擾(cross-talk)的接近感測器及其電路佈局方法。
顧名思義，所謂的接近感測器(proximity sensor)乃是透過光學方式感測前方是否有物體或障礙物，於實際應用中，接近感測器可供智慧型手機或手持式裝置判斷使用者是否靠近接聽，抑或供家務機器人判斷前方是否有家具或人員擋在前面。請參照圖1A，圖1A繪示傳統的接近感測器結構的剖面示意圖。
如圖1A所示，傳統的接近感測器1通常包括有光發射單元10、光接收單元12、封裝膠體14及基板16。當光發射單元10所發射的光線L透過開孔H1射出後，一旦遇到障礙物時，部份光線將會被障礙物所反射而經由開孔H2傳遞至光接收單元12上的光感測區域SA。接近感測器即可根據光接收單元12所接收到的反射光R來判定前方是否有障礙物並據以做出反應。
然而，由於光發射單元10通常採用的發光二極體(LED)與光接收單元12通常採用的光感測器之半導體製程完全不同，前者(LED)採用的是三-五族半導體製程，後者(光接收單元12)採用的是矽製程，故傳統上難以將兩種製程整合在一起。因此，如圖1A所示，在傳統的接近感 測器1中，乃是將光發射單元10與光接收單元12並排，故呈長條狀。
至於圖1B則繪示圖1A中之光接收單元12透過頂層金屬(Top metal layer)TM來設置於其所包括之第一電路區域DL中的各個半導體元件12a,12b上以完成電路佈局，而光發射單元10則需設置於基板16上之光接收單元12以外的區域，故需使用較大的面積。
此外，由於在傳統的接近感測器1中，光發射單元10與光接收單元12大致位於同一水平高度，為了避免雜訊交互干擾導致誤動作之現象產生，即使封裝膠體14可採用阻光材料構成，但光發射單元10與光接收單元12之間仍勢必要間隔一定的距離d，卻也因而導致傳統的接近感測器1的體積難以縮小，嚴重影響其於愈來愈輕薄短小的手持電子裝置之應用性。
因此，本發明提出一種接近感測器及其電路佈局方法，以解決先前技術所遭遇到之上述種種問題。
本發明之一範疇在於提出一種接近感測器。於一較佳具體實施例中，接近感測器包括光發射單元、控制電路及光感測器。光感測器包括半導體基板及焊墊。半導體基板具有第一電路區域。於第一電路區域內設置有至少一半導體元件。焊墊設置於第一電路區域之上方而與至少一半導體元件之間具有間隔。光發射單元設置於焊墊上。光發射單元透過焊墊電性連接控制電路。
於一實施例中，焊墊包括平坦部及至少一支持部。平坦部用以供光發射單元設置於其上。至少一支持部設置於平坦部下方，用以連接半導體基板之第一電路區域以外的區域，並支持平坦部，使平坦部位於第一電路區域之上方且與至少一半導體元件之間具有間隔。
於一實施例中，控制電路設置於光感測器內，控制電路用以控制光感測器與光發射單元之操作。
於一實施例中，控制電路設置於光感測器內，焊墊具有金屬層，光發射單元之接腳透過金屬層與控制電路電性連接。
於一實施例中，光感測器與光發射單元皆為晶粒。
於一實施例中，接近感測器更包括膠體，用以包覆光感測器與光發射單元。
於一實施例中，光感測器上具有光感測區域，且光感測區域位於第一電路區域以及基板與焊墊相連處以外。
於一實施例中，光發射單元之發光面與光感測器上之光感測區域分別位於不同平面上。
本發明之另一範疇在於提出一種接近感測器的電路佈局方法。於一較佳具體實施例中，接近感測器之電路佈局方法包括下列步驟：提供半導體基板並於半導體基板之第一電路區域內設置至少一半導體元件；將焊墊設置於第一電路區域之上方，使焊墊與至少一半導體元件之間具有間隔；提供控制電路；將光發射單元設置於焊墊上，使光發射單元透過焊墊電性連接控制電路。
相較於先前技術，本發明的接近感測器及其電路佈局方法在電路佈局時對光感測器之數位(或類比)電路區域中之各半導體元件的連線金屬層作適當分配，省去最上方之頂層金屬(Top metal layer)設置，改將焊墊(bonding pad)設置於光感測器之上方，以使得焊墊與各半導體元件之間具有間隔，並且光發射單元之接腳能夠透過焊墊之金屬層與設置於光感測器內之控制電路電性連接，故能有效地縮減整個接近感測器的體積。為了提升光發射單元連接於光感測器上之可靠度，亦可增加焊墊之金屬層厚度，抑或鍍上一層聚亞醯胺(Polyimide,PI)來作為保護。
此外，由於光發射單元之發光面與光感測器上之光感測區域分別位於不同平面上，再搭配上設置於光發射單元與光感測區域之間的阻隔部，故可避免光發射單元所發出的光線被散射至光感測器上之光感測區域所產生之交互干擾(cross-talk)現象，使得接近感測器不致於因而誤判而產生誤動作。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
根據本發明之一較佳具體實施例為一種接近感測器。於實際應用中，接近感測器可透過光學方式感測前方是否有物體或障礙物，故可用於智慧型手機或手持式裝置以判斷使用者是否靠近接聽，抑或供家務機器人判斷前方是否有家具或人員擋在前面等用途。本發明可同時達到縮減接近感測器的體積以及避免光發射單元所發 出的光線被散射至光感測器上之光感測區域所產生之交互干擾現象等功效。
請參照圖2A，圖2A繪示此實施例之接近感測器的剖面示意圖。如圖2A所示，接近感測器2包括有光發射單元20、光感測器22、封裝膠體24、基板26、第一開孔H1及第二開孔H2。光感測器22包括有控制電路220。光感測器22之第一表面(上表面)222具有光感測區域SA。光感測器22設置於基板26上。光發射單元20設置於光感測器22之第一表面222上且位於光感測區域SA以外。光發射單元20可以是發光二極體，用以發出光線L，但不以此為限。
需說明的是，控制電路220用以控制光發射單元20與光感測器22之操作。實際上，控制電路220可以與光感測器22整合在一起，亦可以單獨設置於光感測器22以外，並不以此實施例為限。更詳細而言，無論光發射單元20、光感測器22與控制電路220是三個不同的晶粒(die)，或是將光感測器22與控制電路220整合於同一個晶粒，控制電路220均能夠達到控制光發射單元20與光感測器22之操作的功能。
封裝膠體24可採用阻光材料包覆光感測器22與光發射單元20並成型後，再於封裝膠體24上形成分別對應於光發射單元20及光感測器22的第一開孔H1及第二開孔H2，以利光發射單元20透過第一開孔H1發出光線L以及光感測器22透過第二開孔H2接收反射光R。
亦請同時參照圖2B，圖2B繪示圖2A中之光發射單元20透過焊墊BP設置於光感測器22之上方的詳細剖面 示意圖。如圖2B所示，光感測器22包括半導體基板SUB及焊墊BP。實際上，半導體基板SUB可以是P型或N型的矽基板，但不以此為限。
半導體基板SUB具有第一電路區域DL及第二電路區域AL，在本實施例中，第一電路區域DL例如是數位電路所佈置的區域，第二電路區域AL例如是類比電路所佈置的區域，但本發明並不以此為限。於第一電路區域DL內設置有至少一半導體元件22a及22b，並且第一電路區域DL中之半導體元件22a及22b上並未如同先前技術一樣設置有頂層金屬；於第二電路區域AL內設置有至少一半導體元件22c及22d，並且第二電路區域AL中之半導體元件22c及22d上則仍如同先前技術一樣設置有頂層金屬TM。
實際上，半導體元件22a~22d可以是金氧半場效電晶體(MOSFET)，但不以此為限。光感測器22之第一電路區域DL可採用特殊的電路佈局(layout)方式實現之，例如於電路佈局領域中常用的自動佈局繞線(Auto Place and Route,APR)方式，其中光感測器22在佈局設計時，不用最上層的頂層金屬TM來佈線，使得在自動佈局繞線(APR)區域上全部都可保留空間以設置焊墊BP。
如圖2B所示，焊墊BP係被設置於第一電路區域DL之上方而使得焊墊BP與第一電路區域DL中之半導體元件22a及22b之間具有間隔。焊墊BP包括平坦部BP1及至少一支持部BP2。平坦部BP1用以供光發射單元20設置於其上。至少一支持部BP2設置於平坦部BP1下方，用以電性連接半導體基板SUB並支持平坦部BP1， 使平坦部BP1位於第一電路區域DL之上方且與半導體元件22a及22b之間具有間隔。實際上，至少一支持部BP2與半導體基板SUB電性連接處可位於第一電路區域DL以外，但不以此為限。
也就是說，焊墊BP並不會接觸到第一電路區域DL中之半導體元件22a及22b，而焊墊BP與半導體基板SUB連接處可位於第一電路區域DL以外。光發射單元20設置於焊墊BP的平坦部BP1上，並且焊墊BP上具有金屬層，致使光發射單元20之接腳能透過焊墊BP的平坦部BP1及支持部BP2電性連接光感測器22中之控制電路220。於實際應用中，為了提升光發射單元20之接腳連接於光感測器22上之可靠度，亦可增加焊墊BP之金屬層厚度，抑或鍍上一層聚亞醯胺(Polyimide,PI)來作為保護。
如此一來，本發明即可解決傳統上光發射單元(LED晶粒)20所採用之三-五族半導體製程與光感測器22所採用之矽製程難以整合在一起之難題，使得光發射單元20與光感測器22無需如同先前技術一般採用並排方式設置於封裝體內，而能將光發射單元(LED晶粒)20整合設置於光感測器22之上，故可大幅縮減整個接近感測器2的體積。
此外，由圖2A及圖2B亦可得：光感測器22上之光感測區域SA位於第一電路區域DL以及半導體基板SUB與焊墊BP相連處以外。光發射單元20之發光面ES與光感測器22上之光感測區域SA分別位於不同平面上，使得光發射單元20之發光面ES發出的光線L較不易被折 射至光感測器22上之光感測區域SA，故可避免先前技術中由於雜訊干擾導致誤動作之現象產生。
雖然圖2A中之封裝膠體24由阻光材料構成，能夠減少光發射單元20所發出的光線L被散射至光感測器22上之光感測區域SA所產生之交互干擾現象，但為了強化阻光效果以增進接近感測器之感測準確率，可於接近感測器結構內加入一些輔助單元，例如阻隔部、透鏡組或曲線狀的開孔結構等。
舉例而言，如圖3所示，接近感測器2’更包括有阻隔部D。阻隔部D設置於光感測器22之第一表面222，且位於光發射單元20與光感測區域SA之間。於此實施例中，設置此一阻隔部D之功用在於：(1)阻擋光發射單元20所發出的光線L被散射至光感測器22上之光感測區域SA所產生之交互干擾現象；(2)將包覆於光發射單元20上之點膠(未圖示)與包覆於光感測區域SA上之點膠(未圖示)彼此隔離開來，避免兩者相連而導致光感測器22誤判。
於實際應用中，阻隔部D可以是晶粒(die)，例如假晶粒(dummy die)，或是由其他阻光材料構成，且其高度及寬度可視實際需求而調整，並無特定之限制。
根據本發明之另一較佳具體實施例為一種接近感測器的電路佈局方法。於此實施例中，該接近感測器之電路佈局方法用以進行一接近感測器之電路佈局。請參照圖4，圖4繪示此實施例之接近感測器之電路佈局方法的流程圖。
如圖4所示，於步驟S10中，該方法提供半導體基 板，並於半導體基板之第一電路區域內設置至少一半導體元件。實際上，半導體基板之第一電路區域可以是數位電路區域，而其第二電路區域可以是類比電路區域，但不以此為限。焊墊包括平坦部及至少一支持部。於步驟S12中，該方法將至少一支持部設置於平坦部下方，至少一支持部電性連接半導體基板並支持平坦部，其中焊墊與至少一半導體元件之間具有一間隔。實際上，半導體基板與焊墊之至少一支持部相連處可位於第一電路區域以外，但不以此為限。於步驟S14中，該方法將光發射單元設置於光感測器之焊墊的平坦部上。
於步驟S16中，光發射單元之接腳透過焊墊之金屬層與設置於光感測器內之控制電路電性連接。於步驟S18中，該方法於半導體基板上位於第一電路區域以及半導體基板與焊墊相連處以外設置光感測區域，且光感測區域與光發射單元之發光面分別位於不同平面上。於步驟S20中，該方法透過膠體包覆光感測器與光發射單元。於步驟S22中，該方法透過設置於光感測器內之控制電路控制光感測器與光發射單元之操作。
於實際應用中，該方法可將阻隔部設置於光感測器之第一表面，且位於光發射單元與光感測區域之間。需說明的是，於光發射單元與光感測區域之間設置阻隔部之目的在於：(1)避免光發射單元所發出的光線被散射至光感測器上之光感測區域所產生之交互干擾現象；(2)將包覆於光發射單元上之點膠與包覆於光感測區域上之點膠彼此隔離，避免兩者相連而導致光感測器誤判。
相較於先前技術，本發明的接近感測器及其電路佈 局方法在電路佈局時對光感測器之數位(或類比)電路區域中之各半導體元件的連線金屬層作適當分配，省去最上方之頂層金屬設置，改將焊墊設置於光感測器之上方，以使得焊墊與各半導體元件之間具有間隔，並且光發射單元之接腳能夠透過焊墊之金屬層與設置於光感測器內之控制電路電性連接，故能有效地縮減整個接近感測器的體積。此外，為了提升光發射單元連接於光感測器上之可靠度，亦可增加焊墊之金屬層厚度，抑或鍍上一層聚亞醯胺來作為保護。
此外，由於光發射單元之發光面與光感測器上之光感測區域分別位於不同平面上，再搭配上設置於光發射單元與光感測區域之間的阻隔部，故可避免光發射單元所發出的光線被散射至光感測器上之光感測區域所產生之交互干擾現象，使得接近感測器不致於因而誤判而產生誤動作。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
S10~S22‧‧‧流程步驟
1、2、2’‧‧‧接近感測器
10、20‧‧‧光發射單元
12‧‧‧光接收單元
14、24‧‧‧封裝膠體
16、26‧‧‧基板
L‧‧‧發射光
H1、H2‧‧‧開孔
SA‧‧‧光感測區域
R‧‧‧反射光
TM‧‧‧頂層金屬
DL‧‧‧第一電路區域
12a~12d‧‧‧半導體元件
d‧‧‧距離
22‧‧‧光感測器
220‧‧‧控制電路
222‧‧‧第一表面(上表面)
BP‧‧‧焊墊
SUB‧‧‧半導體基板
AL‧‧‧第二電路區域
22a~22d‧‧‧半導體元件
BP1‧‧‧平坦部
BP2‧‧‧支持部
ES‧‧‧發光面
D‧‧‧阻隔部
圖1A繪示傳統的接近感測器結構的剖面示意圖。
圖1B繪示圖1A中之光接收單元透過頂層金屬來連接其所包括之第一電路區域中的各個半導體元件。
圖2A繪示根據本發明之一具體實施例之接近感測 器的剖面示意圖。
圖2B繪示圖2A中之光發射單元透過焊墊設置於光感測器之上方的詳細剖面示意圖。
圖3繪示接近感測器更包括有阻隔部的剖面示意圖。
圖4繪示根據本發明之另一具體實施例之接近感測器之電路佈局方法的流程圖。
20‧‧‧光發射單元
26‧‧‧基板
L‧‧‧發射光
SA‧‧‧光感測區域
R‧‧‧反射光
TM‧‧‧頂層金屬
DL‧‧‧第一電路區域
22‧‧‧光感測器
220‧‧‧控制電路
222‧‧‧第一表面(上表面)
BP‧‧‧焊墊
SUB‧‧‧半導體基板
AL‧‧‧第二電路區域
22a~22d‧‧‧半導體元件
BP1‧‧‧平坦部
BP2‧‧‧支持部
ES‧‧‧發光面

Claims (13)

  1. 一種接近感測器，包括：一光感測器，包括：一半導體基板，具有一第一電路區域，於該第一電路區域內設置有至少一半導體元件；以及一焊墊，設置於該第一電路區域之上方而與該至少一半導體元件之間具有一間隔；一控制電路，位於該光感測器之下方，用以控制該光感測器與該光發射單元之操作；以及一光發射單元，設置於該焊墊上，該光發射單元透過該焊墊電性連接該控制電路，其中，該光發射單元之一發光面與該光感測器上之一光感測區域分別位於不同平面上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之接近感測器，其中該焊墊包括：一平坦部，用以供該光發射單元設置於其上；以及至少一支持部，設置於該平坦部下方，用以連接該半導體基板之該第一電路區域以外的區域，並支持該平坦部，使該平坦部位於該第一電路區域之上方且與該至少一半導體元件之間具有該間隔。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之接近感測器，其中該控制電路設置於該光感測器內。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之接近感測器，其中該焊墊具有一金屬層，該光發射單元之接腳透過該金屬層與 該控制電路電性連接。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之接近感測器，其中該光感測器與該光發射單元皆為晶粒。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之接近感測器，更包括：一膠體，用以包覆該光感測器與該光發射單元之側面及底面，且該膠體於該光感測器上之該光感測區域及該光發射單元上之該發光面之上面具有開孔。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之接近感測器，其中該光感測區域位於該第一電路區域以及該半導體基板與該焊墊相連處以外。
  8. 一種接近感測器的電路佈局方法，包括下列步驟：(a)提供一半導體基板並於該半導體基板之一第一電路區域內設置至少一半導體元件；(b)將一焊墊設置於該第一電路區域之上方，使該焊墊與該至少一半導體元件之間具有一間隔；(c)提供一控制電路，該控制電路位於該光感測器之下方，且用以控制該光感測器與該光發射單元之操作；以及(d)將一光發射單元設置於該焊墊上，使該光發射單元透過該焊墊電性連接該控制電路，其中，該光發射單元之一發光面與該光感測器上之一光感測區域分別位於不同平面上。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電路佈局方法，其中該焊 墊包括一平坦部及至少一支持部，步驟(b)更包括下列步驟：將該至少一支持部設置於該平坦部下方，該至少一支持部連接該半導體基板之該第一電路區域以外的區域，並支持該平坦部；以及將該光發射單元設置於該平坦部上。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之電路佈局方法，進一步包括下列步驟：將該控制電路設置於該光感測器內。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之電路佈局方法，進一步包括下列步驟：該光發射單元之接腳透過該焊墊之一金屬層與該控制電路電性連接。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之電路佈局方法，進一步包括下列步驟：透過一膠體包覆該光感測器與該光發射單元之側面及底面，且該膠體於該光感測器上之該光感測區域及該光發射單元上之該發光面之上面具有開孔。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之電路佈局方法，進一步包括下列步驟：於該半導體基板上位於該第一電路區域以及該半導體基板與該焊墊相連處以外設置該光感測區域。
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